Booleova algebra

Booleova algebra je algebraická struktura se dvěma binárními a jednou unární operací.

Jedná se o šestici (\(A\), \(\land\), \(\lor\), \(-\), \(0\), \(1\)), kde \(A\) je neprázdná množina

  • Nejmenší prvek \(0 \in A\)
  • Největší prvek \(1\in A\)
  • Unární operace (negace) \(\overline{0} = 1\)

Budeme se soustředit na dvouprvkovou Booleovu algebru tj. budou 2 prvky:

  • \(1\) - (\(true\))
  • \(0\) - (\(false\))

Základní matematické symboly

NázevZnakDefinice
Negace\(\neg\) nebo \(\overline{x}\)Neguje vstup, tedy z 1 dostaneme 0 a obráceně
Disjunkce (spojení)\(\lor\) nebo \(+\)Logické nebo
Konjunkce (průsek)\(\land\) nebo \(\cdot\)Logické a

Axiomy

NázevSoučetSoučin
komutativní\(x+y=y+x\)\(x{\cdot}y=y{\cdot}x\)
distrubutivní\((x+y){\cdot}z=x{\cdot}z+y{\cdot}z\)\((x \cdot y)+z=(x+z){\cdot}(y+z)\)
neutralita 0 a 1\(x+0=x\)\(x{\cdot}1=x\)
agresivita 0 a 1\(x+1=1\)\(x{\cdot}0=0\)
vyloučení třetího\(x+\overline{x} = 1\)\(x{\cdot}\overline{x} = 0\)

Dualita Booleovy algebry

Prohozením \(0 \leftrightharpoons 1\) a zároveň \(+ \leftrightharpoons \cdot\) v celém obvodu/výrazu zůstane chování (logická funkce) zachovaná (samozřejmě při prohození 1 a 0 i na vstupech/výstupech). Toto chování vychází ze symetrie námi vybraných operátorů \(+\) a \(\cdot\) k modelování Booleovy algebry.

VýrazDuální výraz
\(x \cdot \overline{y + \overline{z}}\)\(\overline{\overline{x} + \overline{\overline{y} \cdot \overline{\overline{z}}}}\)

De Morganovy zákony

Zákon
\(\overline{x} + \overline{y} = \overline{(x{\cdot}y)}\)
\(\overline{x} {\cdot} \overline{y} = \overline{(x+y)}\)

Zákon je efektivně lokální aplikací duality Booleovy algebry. Pokud v nějaké sekci obvodu vyměníme \(+\) (OR) za \(\cdot\) (AND) a obráceně, a na rozhraní sekce všechny znegujeme všechny signály (tím uvnitř sekce vyměníme 1 a 0), tak chování celého obvodu zůstane zachováno.
Z toho vyplývá, že lze vytvořit verzi De Morganových zákonů i pro 3 a více vstupů, klidně s odlišnými operátory.

Užitečné zákony

NázevSoučetSoučin
asociativní\(x+(y+z)=(x+y)+z\)\(x{\cdot}(y{\cdot}z)=(x{\cdot}y){\cdot}z\)
o idempotenci prvků (absorbce)\(x+x=x\)\(x{\cdot}x=x\)
absorbce\(x+x{\cdot}y=x\)\(x{\cdot}(x+y)=x\)
dvojí negace\(\overline{\overline{{x}}} = x\)\(\overline{\overline{{x}}} = x\)

Hradlo XOR

Hradlo XOR můžeme kdykoliv zaměnit za disjunktivní normální formu (DNF) jeho logické funkce:

\(x \oplus y = x \cdot \overline{y} + \overline{x} \cdot y\)